某小（1）型水庫安全評價中大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

叢雙芝

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003）

1 工程及地質(zhì)概況

某小（1）水庫庫區(qū)徑流面積為6.70 km2，河道長6.13 km，河床比降0.0059。水庫樞紐工程主要由主壩、副壩、輸水涵、輸水隧洞、溢洪道等組成[1]。主壩為均質(zhì)土壩，最大壩高為19.0 m，壩頂為砼路面，壩頂高程為85.5 m，壩頂寬6 m，壩頂長195.5 m。副壩為均質(zhì)土壩，最大壩高為10.20 m，壩頂為砼路面，壩頂高程為83.160 m，壩頂寬4.3 m，壩頂長66 m。水庫主、副壩斷面見圖1和圖2。

圖1 水庫主壩斷面圖（尺寸單位：m）

圖2 水庫副壩斷面圖（尺寸單位：m）

水庫地貌類型以低丘陵及剝蝕殘山為主，水庫西面大部分為地形較高的剝蝕山丘，東面為低矮準平地，是人口密集的工業(yè)區(qū)。庫區(qū)西部基巖為中生代白堊紀早白堊世中粗粒黑云母二長花崗巖（K11bηγ），東部基巖為中生代侏羅世粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖（J1-2t）。庫區(qū)主要出露的地層為第四系地層，主要為沖洪積層和殘積層，第四系沖洪積層分布范圍較小，一般位于河床和沖溝底，巖性為含礫粘土和粉質(zhì)粘土，局部有礫砂、角礫層，厚度不大，呈透鏡狀分布；第四系坡殘積層分布廣泛，巖性為礫質(zhì)粘性土和粉質(zhì)粘土，厚度依地形地貌而變化。

根據(jù)壩址現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及鉆探結(jié)果，在勘探場地及深度內(nèi)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、巖溶、滑坡、泥石流及液化土層分布等不良地質(zhì)作用及特殊巖土。

2 大壩壩基和岸坡質(zhì)量評價

2.1 大壩現(xiàn)狀評價情況

2.2.1 大壩壩基和岸坡質(zhì)量評價

依據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258-2000）[2]及《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 60-2012）[3]，本次現(xiàn)場檢查采取了歷史資料分析法、現(xiàn)場巡視檢查法相結(jié)合的辦法，對大壩壩體有無裂縫、異常變形、滲漏、塌陷及動物危害現(xiàn)象進行重點檢查，得到以下檢查結(jié)果:（1）水庫運行管理情況整體較好；（2）主壩壩頂路面平整，局部有裂縫1處、破損1處；（3）主壩壩后坡階梯局部有破損2處；（4）主壩馬道與馬道旁排水溝有裂縫1處；（5）主壩壩后坡排水棱體有2處存在少量的滲流量；（6）副壩壩頂路面平整,局部有裂縫1處。

2.2.2 大壩壩體質(zhì)量評價

根據(jù)室內(nèi)土工試驗及擊實試驗，壩體人工填土所取土樣干密度介于1.32 g/cm3～1.70 g/cm3，壩體三組擊實樣的校正后最大干密度平均值為1.83 g/cm3，計算得出壩體人工填土壓實度介于72%～93%之間。根據(jù)室內(nèi)土工滲透試驗分析，對4組壩體人工填土試樣進行了室內(nèi)滲透試驗，滲透系數(shù)為4.3E-6 cm/s～8.6E-4 cm/s，平均滲透系數(shù)為3.00E-4 cm/s，為中等透水性。

綜上所述，壩體填筑土土料質(zhì)量滿足均值土壩用料要求，但其壓實度不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）[4]對3級以下中、低壩粘性土壓實度96%～98%的要求。根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258-2000），水庫壩體填筑土壓實度不滿足規(guī)范要求，應(yīng)進一步進行大壩結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定分析后來評價大壩結(jié)構(gòu)安全狀況。

3 大壩抗滑穩(wěn)定分析

3.1 分析方法

3.1.1 計算方法

水庫大壩穩(wěn)定計算按《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258-2000）和《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。本次計算分析采用計算條塊間作用力的簡化Bishop法求壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，計算公式如下:

式中:W為條塊重，kN；W1為在壩坡外水位以上的條塊濕重，kN；W2在壩坡外水位以下的條塊濕重，kN；V為垂直地震慣性力(向上為負，向下為正)，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kPa，取值為0；b為土條寬度，m；α為條塊重力線與通過此條塊底面重點的半徑之間的夾角，°；c'、φ'為土條底面的強度指標，kPa、°，參見力學(xué)參數(shù)表；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

該水庫大壩為3級壩，本次安全評價采用3級壩的安全性分級指標進行評價。穩(wěn)定計算的標準水位采用本次復(fù)核計算成果見表1。

表1 水庫特征水位

3.1.2 計算工況

根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258-2000）和《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）有關(guān)規(guī)定擬定水庫穩(wěn)定復(fù)核計算的各種工況見表2。

表2 水庫穩(wěn)定復(fù)核計算的各種計算工況表

工況6根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2001）有關(guān)規(guī)定劃分[5]，本區(qū)屬Ⅶ度區(qū)，建議本場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g。

3.1.3 滲流邊界

主壩浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、隨庫水位跌落而下降；副壩因下游與地面幾乎齊平，本次安全鑒定未做滲流安全評價，故本次抗滑穩(wěn)定計算只做上游坡計算。

3.1.4 物理力學(xué)指標選取

本次穩(wěn)定分析的壩身填土、壩基的物理力學(xué)指標等均選自本次工程地質(zhì)勘察成果，反濾體的物理力學(xué)指標根據(jù)《砂礫石地基工程地質(zhì)》和《中小型水利水電工程地質(zhì)》(第二版)并結(jié)合同類工程經(jīng)驗數(shù)值取值，凝聚力C=0，內(nèi)摩擦角φ=35°，容重γ=2.5 g/cm3。土壩的物理力學(xué)指標取值見表3。

3.2 計算結(jié)果

計算工具采用“理正邊坡穩(wěn)定分析軟件”之“簡化Bishop法”。經(jīng)計算，在各種工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果見表4和表5，各工況下主壩、副壩壩坡滑移計算圖見圖3～圖6（受篇幅所限，只列出部分）。

表3 壩址巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標建議值

表4 主壩穩(wěn)定計算安全系數(shù)結(jié)果表

表5 副壩穩(wěn)定計算安全系數(shù)結(jié)果表

圖3 主壩工況1上、下游壩坡滑移計算圖（尺寸單位：m）

圖4 主壩工況3上游壩坡滑移計算（尺寸單位：m）

圖5 副壩工況4上游壩坡滑移計算圖（尺寸單位：m）

圖6 副壩工況5上游壩坡滑移計算圖（尺寸單位：m）

3.3 大壩護坡強度復(fù)核

該水庫主壩上游壩坡為200 mm厚C25混凝土護坡。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001），壩體上游混凝土護坡在浮力作用下穩(wěn)定的面板厚度可按下式計算:

式中:η為系數(shù)，對整體式大塊護面板取1.0，裝配式護面板取1.1（本次取1.0）；hp為累積頻率為1%的波高，m；b為沿壩坡向板長，m；ρc為板的密度，t/m3。計算成果見表 6。

表6 大壩壩體上游混凝土護坡厚度

從表6可看出，水庫在各工況運行水位下，主壩壩體上游混凝土護坡現(xiàn)狀板厚均大于計算所需厚度，故主壩壩體上游混凝土護坡強度滿足規(guī)范要求。

3.4 大壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核結(jié)論

抗滑穩(wěn)定復(fù)核計算結(jié)果表明，主壩斷面在正常運用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.497，大于1.43，達到A級；在非常運用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.353，大于1.32，達到A級。副壩斷面在正常運用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.52，大于1.43，達到A級；在非常運用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.431，大于1.32，達到A級。

根據(jù)護坡強度計算，主壩壩體上游混凝土護坡強度滿足規(guī)范要求:副壩上游砂漿砌筑透水磚護坡厚度無法得知，但現(xiàn)狀透水磚護坡平整度較好，無破損，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL 258-2000）附錄B對大壩安全綜合評價，該水庫大壩結(jié)構(gòu)安全性評價為A級。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)評定，該水庫綜合安全評價為二類壩，針對本水庫存在的安全問題，提出如下建議:①對主壩壩后階梯破損處、馬道裂縫處進行修復(fù)加固；②建議本次鑒定的復(fù)核值作為水庫特性采用值；③加強對水庫大壩建筑物進行定期運行管理和維護。